2024-05-27

Highly sensitive and label-free protein immunoassay-based biosensor comprising infrared metamaterial absorber inducing strong coupling 

□ 바이오센서 중요성 및 기존 바이오센서의 문제점

 ○ 바이오센서는 DNA, 단백질 등 생체분자 검출 및 분석에 필수적인 도구로 질병의 조기 진단 및 모니터링에 사용됨

   - 생물학적 현상 연구에도 매우 필수적이며, 최근에는 COVID-19 등 감염성 질병의 광범위한 전파를 예방하는 데 중요한 역할로 주목 받게 됨

 ○ 단백질 검출에 사용되는 기존 바이오센서는 표적 단백질에 특이하게 결합하는 항체를 이용한 항원-항체 결합을 이용함 

   - 정량적 분석을 위해 항체에 결합한 단백질을 광학 또는 전기 신호로 변환하는 표지 과정이 필수적이지만,

   - 복잡한 과정으로 표지에 사용되는 형광 물질, 효소 등 비용이 많이 들며 잘못된 신호 증폭 또는 단백질 검출 한계 등 다수 문제점 발생

 ○ 따라서, 표지 과정 없이 표적 단백질을 직접적으로 검출할 수 있는 바이오센서 개발 필요

□ 본 연구는 자연에서 발견되지 않는 특이한 물리적 특성을 가지도록 나노 구조를 인위적으로 설계함

 ○ 인위적으로 설계된 나노 구조인 메타물질 흡수체를 통해 표적 단백질을 표지 과정 없이 특정 파장에서 고감도로 검출할 수 있는 단백질 면역 분석 기반 바이오센서 개발

□ 메타물질 흡수체를 이용한 비표지 및 고감도 바이오센서 구조 및 원리

 ○ 메타물질 흡수체는 상부 금속층, SiO₂ 등 이루어진 절연체 층, 하부 금속층으로 구성, '금속-절연체- 금속' 층으로 이루어진 나노 구조임

   - 이 흡수체의 특이한 구조는 단백질이 특정 파장의 빛을 흡수하였을 때 나타내는 특정 파장의 특정 진동 신호를

   - 메타물질 흡수체 표면에서 큰 폭으로 증폭시키는 SERIA(Surface-Enhanced Infrared Absorption, 표면 강화된 적외선 흡수) 신호를 만들어 내기 위해 설계됨

 ○ 상부 금속층의 십자가 형태의 나노 안테나 구조는 특정 파장의 빛이 금속 표면에 도달할 때 전자기파인 빛과 금속 표면의 자유 전자가 공명을 일으켜 자유 전자가 집단으로 진동하는 현상이 유발됨^*

     ^*SPR: Surface Plasmon Resonance, 표면 플라스몬 공명

   - SPR 효과에 의해 상부 금속층 표면에 강한 전자기장 형성

   - 이 전자기장은 상부 금속층과 하부 금속층 사이에 절연체로 이루어진 간극 부분에 공명 효과로 생성된 강력한 전자기장인 근접장이 메타물질 흡수체 주위로 생성됨

   - 이 근접장은 단백질의 특이적인 진동 신호와 직접 상호작용하여 단백질 신호를 큰 폭으로 증폭시켜 SEIRA 신호가 생성됨

 ○ 증폭된 SEIRA 신호를 물질의 적외선 흡수 스펙트럼 분석 측정을 통해 화학적 구성 및 조성을 파악할 수 있는 FT-IR(Fourier transform infrared) 분광기로 분석하면 표적 단백질 감지 가능

   - 메타물질 흡수체 기반의 바이오센서는 표적 단백질이 특정 파장의 빛을 흡수할 때 나오는 매우 미미한 신호를 증폭시켜 표적 단백질의 신호 감지 가능

□ 메타물질 흡수체를 이용한 비표지 및 고감도 바이오센서 개발 의의

 ○ 항체 Fc 수용체에 결합할 수 있는 protein A/G와 혈액 응고 단계에 중요한 단백질 (thrombin)과 특이적으로 결합하는 TBA(thrombin-binding aptamer)를 메타물질 흡수체 표면에 결합시킴

   - Protein A/G 및 TBA 각각 복합체 형성 시 증복된 SEIRA 신호 분석

   - 메타물질 흡수체의 특정 파장 빛 흡수 시 발생하는 고유 진동 증폭을 통한 표적 단백질 감지 가능 증명

 ○ 메타물질 흡수체를 이용한 비표지 및 고감도 바이오센서 개발은 표지 과정이 따로 필요 없어 분석 절차 간단하며, 비용시간적 측면에서도 효율적임

   - TBA-thrombin 복합체 실험 모델에서 매우 낮은 농도인 267.4 pM (검출 한계값)에서도 표적 단백질 검출이 가능함

     ※ pM: 용액 1리터 속에 녹아 있는 용질의 양을 나타내는 단위

 ○ 메타물질 흡수체를 이용한 바이오센서는 표적 단백질의 검출에 적합하게 그 구조를 설계할 수 있기 때문에 넓은 범용성 및 높은 특이성을 가짐

   - 단백질, DNA 등 생체분자를 초고감도로 검출할 수 있는 기반 마련

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